[논문 리뷰] CoMP Meets Energy Harvesting: A New Communication and Energy Cooperation Paradigm

Jie Xu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|2013. 03. 12.

Energy Harvesting in Wireless Networks인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 재생 가능 에너지원을 갖춘 다중 다이아포지션 안테나 기지국(BS)들이 스마트 그룹을 통해 동적으로 에너지를 공유함으로써 가중합산율을 최대화하는 CoMP 시스템에서의 통신 및 에너지 협력 프레임워크를 제안한다. 실용적인 손실 비율을 고려한 전송 전력과 에너지 교환을 공동으로 최적화함으로써, 에너지 또는 통신 협력이 없는 기존 CoMP 설계보다 우수한 성능을 보이며, 다운링크 처리량을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we pursue a unified study on smart grid and coordinated multi-point (CoMP) enabled wireless communication by investigating a new joint communication and energy cooperation approach. We consider a practical CoMP system with clustered multiple-antenna base stations (BSs) cooperatively communicating with multiple single-antenna mobile terminals (MTs), where each BS is equipped with local renewable energy generators to supply power and also a smart meter to enable two-way energy flow with the grid. We propose a new energy cooperation paradigm, where a group of BSs dynamically share their renewable energy for more efficient operation via locally injecting/drawing power to/from an aggregator with a zero effective sum-energy exchanged. Under this new energy cooperation model, we consider the downlink transmission in one CoMP cluster with cooperative zero-forcing (ZF) based precoding at the BSs. We maximize the weighted sum-rate for all MTs by jointly optimizing the transmit power allocations at cooperative BSs and their exchanged energy amounts subject to a new type of power constraints featuring energy cooperation among BSs with practical loss ratios. Our new setup with BSs' energy cooperation generalizes the conventional CoMP transmit optimization under BSs' sum-power or individual-power constraints. Finally, we validate our results by simulations under various practical setups, and show that the proposed joint communication and energy cooperation scheme substantially improves the downlink throughput of CoMP systems powered by smart grid and renewable energy, as compared to other suboptimal designs without communication and/or energy cooperation.

연구 동기 및 목표

• 재생 가능 에너지와 스마트 그룹을 기반으로 하는 CoMP 시스템에서 효율적인 에너지 및 스펙트럼 자원 활용 문제를 해결하기 위해.
• 합산 전력 또는 개별 전력 제약 조건 하에서 기존 CoMP 최적화의 한계를 극복하기 위해 기지국 간 동적 에너지 협력을 도입함으로써.
• 재생 가능 에너지원을 갖춘 CoMP 클러스터에서 다운링크 전송 및 에너지 교환을 공동으로 최적화하는 통합 프레임워크를 개발하기 위해.
• 실제 손실 비율을 고려한 현실적인 에너지 전송 모델링과 동시에 지역 협력을 통해 그리드에 대한 순 에너지 교환을 0으로 유지하기 위해.
• 새로운 에너지 협력 제약 조건 하에서 모든 이동국의 가중합산율을 최대화하기 위해.

제안 방법

• 기지국 간 지역적 에너지 공유를 통해 그리드에 대한 효과적 합산 에너지 교환을 0으로 만드는 새로운 에너지 협력 모델을 도입한다.
• 집합된 다이아포지션 안테나 기지국과 단일 안테나 이동국을 갖춘 시스템을 모델링하며, 간섭 제거를 위해 협동 제로포지션(ZF) 프리코딩을 사용한다.
• 에너지 협력 제약 조건과 비이deal 에너지 전송 효율성을 고려한 전송 전력 할당과 기지국 간 에너지 교환을 공동으로 최적화한다.
• 동적 에너지 공유를 통합한 기존의 합산 전력 및 개별 전력 제약 조건을 일반화하는 새로운 전력 제약 조건의 클래스를 유도한다.
• 볼록 최적화 기법을 사용하여 공동 문제를 해결함으로써 실용적인 에너지 손실 비율 하에서도 수렴성과 실현 가능성을 보장한다.
• 스마트 미터 기반의 이중 방향 에너지 흐름 메커니즘을 활용하여 기지국이 그리드에 대한 순 의존 없이 지역적으로 전력을 주입하거나 소비할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoMP 기지국 간 에너지 협력은 재생 가능 에너지 기반 무선 네트워크에서 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 실제 에너지 전송 손실을 고려할 때 최적의 전송 전력 및 기지국 간 에너지 교환 할당은 무엇인가?
• RQ3 제안된 에너지 협력 모델은 합산 전력 또는 개별 전력 제약 조건 하에서 기존 CoMP 최적화와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ4 통신 및 에너지 협력을 통합함으로써 재생 가능 에너지원을 갖춘 CoMP 시스템에서 다운링크 처리량은 얼마나 향상되는가?
• RQ5 통신 또는 에너지 협력이 없는 부분 최적 설계 대비 제안된 기법의 성능 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 제안된 통신 및 에너지 협력 기반의 공동 최적화 기법은 합산 전력 또는 개별 전력 제약 조건 하에서 기존 CoMP 시스템보다 다운링크 가중합산율을 크게 향상시킨다.
• 에너지 협력 덕분에 재생 가능 에너지의 효율적 활용이 가능해져 그리드 의존도를 감소시키면서도 스펙트럼 효율을 유지하거나 향상시킨다.
• 통신 또는 에너지 협력이 없는 부분 최적 설계보다 높은 처리량을 달성함으로써 두 영역 간 상호보완적 효과를 입증한다.
• 최적화 프레임워크는 실용적인 에너지 전송 손실을 효과적으로 처리하여 실제 구현 환경에서의 강건성과 실현 가능성을 확보한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 모델이 현실적인 에너지 협력 제약 조건 하에서 기존 CoMP 전력 할당 전략을 일반화하고 초월함을 입증한다.
• 효과적 합산 에너지 교환 0 모델은 기지국 간 에너지 여유와 부족을 균형 잡음으로써 지속 가능한 운영을 가능하게 한다.